1. Alfonsstr. 44
52070 Aachen
Tel. +49 241 4134492-50
info@aixergee.de
www.aixergee.de
Kompetenz & Service für
die Zementindustrie

2. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
aixergee – Kompetenz & Service für Zement
Unser Beitrag:
Durch die Kombination aus langjähriger Branchenerfahrung
und führender Kenntnis im numerischen Engineering
können wir die komplexen Prozesse in der Zementindustrie
im Detail untersuchen und auf der so geschaffenen
Grundlage besser optimieren. Unsere Kunden profitieren
von dieser Prozessoptimierung durch geringere
Brennstoffkosten, geringe Instandhaltungskosten, geringe
Energiekosten und höhere Produktivität

3. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
aixergee – Kompetenz & Service für Zement
Wir helfen Ihnen!
● Bei der Senkung Ihrer
Produktionskosten
● Bei der Steigerung Ihrer
Produktivität
● Bei der Verbesserung
Ihrer Produktions-
prozesse
● Bei dem Einsatz von
Sekundärbrennstoffen
● Bei der Qualifikation
Ihres Personals

4. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Produktion von Zement
Produktion
Ausrüstung
- Maschinen
- Automation
Betrieb
Einsatz-
material
Brennstoff
Roh-
material
Produkte
Klinker
Zement
Energie
Brennstoff Elektrizität

5. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Produktion von Zement
Produktion
Ausrüstung
- Maschinen
- Automation
Betrieb
Einsatz-
material
Brennstoff
Roh-
material
Produkte
Klinker
Zement
Energie
Brennstoff Elektrizität

6. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Prozessoptimierung
Ist-Zustand: Optimierung:
Beobachtung
Messung
Berechnung
- konventionell
- CFD
- CPFD
- PFD
- Thermochemie
- Validation
Modifikation
der
Anlagentechnik
Modifikation
der
Einsatzstoffe
Modifikation
des
Anlagenbetriebs

7. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik
Wassereindüsung in Mischkamer:
● Untersuchung der
Strömungssituation
● Identifikation der Bottlenecks
● Düsenengineering
● Identifikation der geeigneten
Positionen und Ausrichtungen
der Düsenstöcke
● Verringerung der
Ansatzneigung
● Erhöhung der
Produktionsleistung
● Stabilisierung des
Anlagenbetriebs
35°
500
1500
35°
500
1500

8. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik
Optimierung der Zyklone:
● Untersuchung der
Strömungssituation
● Identifikation der
Bottlenecks
● Optimierung der Strömung
● Verringerung des
Druckverlustes
● Verringerung der
Ansatzneigung
● Verbesserung des
Abscheidegrades

9. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation der Einsatzstoffe
Verbrennung von
Reifenschnitzeln im Kalzinator
● Untersuchung des
Strömungs-und
Verweilzeitverhaltens
● Berechnung des Ausbrands
und der Strömung beim
Einsatz der Reifenschnitzel
● Festlegung des optimalen
Aufgabeortes und der
erreichbaren Einsatzmenge
● Identifikation von
potentiellen
Prozessstörungen und
Erarbeitung von
Gegenmaßnahmen

10. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation des Anlagenbetriebs
Alle Eingriffe und Veränderungen
in den Produktionsprozess
bedingen oder begründen eine
Modifikation des Anlagenbetriebs!
Wir lassen Sie nach der
Implementierung der Modifikation
nicht im Regen stehen:
● Optimierung des
Anlagenbetriebs auf die
neue Situation
● Schulung des Personals
● Betriebsoptimierung auch
ohne vorhergehende
Anlagenmodifikation

11. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Zementproduktion als vernetzter Prozess

12. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Zementproduktion als komplexer Prozess
● Der Zementprozess ist gekennzeichnet durch:
● Das Vorliegen der (Zwischen-) Produkte in allen
Aggregatzuständen – insbesondere feststoffförmig
● Unterschiedlichste Ablaufzeiten von teilweise überlagerten
Prozessen (Millisekunden bis zu Stunden)
● Zyklisches – schwingendes Verhalten
● Extrem energieintensiv
● Direkter Kontakt zwischen Brennstoff(-asche) und Produkt
● Hohe Variationsrate der Qualitäten und Quantitäten der
Einsatzstoffe möglich
● Kernprozesse sind mineralogisch getrieben
● Als Massenprodukt verträgt Zement keine höheren
Produktionskosten

13. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Prozessoptimierung ist permanente Notwendigkeit
● Der hohe Energiebedarf zwingt zu ständigen
Effizienzsteigerungen
● Neue Technologien müssen in die prinzipiell langlebige
Anlagenausrüstung integriert werden
● Permanenter Kostendruck bewirkt den Einsatz immer
minderwertigerer Brennstoffe / Reststoffe
● Wachsende Umweltauflagen verlangen immer
umweltschonendere, und besser geführte
Produktionsweise

14. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Von der Analyse zur Optimierung
Ist-Zustand Optimierung
Analyse Vorschlag Umsetzung
Anlagenbegutachtung:
● Beobachtung
● Messung
Berechnung:
● konventionell
● CFD
● CPFD
● Thermochemie
● Verbrennung
● Energiebilanz
● ...
Beschaffung:
● Lieferanten
● Partner
Engineering:
● Verfahrenstechnik
● Stoff- und
Energiebilanzen
● Konstruktion
● Bauteil
● Elektrik/Automation
● Behörden
● Projektmanagement
● Behördenengineering
● Resourcenbeschaffung
● Lieferung
● Montage
● Inbetriebnahme
● Optimierung
● Leistungsnachweis
● Training
Finanzierung:
Projektplanung:

15. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Wie wir für Sie arbeiten
Anlagenbetrieb
Auslegung
von Maschinen
u. Anlagen
Konstruktion
von Maschinen
u. Anlagen
Berechnung von:
- Strömungen
- Druckverlusten
- Ausbrandraten
- Chemischen Zusammensetzungen
- Kalzinationsraten
- Emissionen
- Partikelbahnen
...
ProduktionsprozessProduktionsprozess

16. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Numerische Engineeringwerkzeuge
Werkzeug Anwendung Beispiel
Verbrennungsprozesse Ofenbrenner
…
…
PFD
…
Thermochemie
CFD
(mit zusätzlichen
Modellen zur
Berücksichtigung
des
Partikelverhaltens)
FLUENT
„Reingas“ und gering
beladene
Mehrphasenströmungen
Filter, Gasströmungen in
Apparaten und Leitungen
Strömungen mit überlagerten
Reaktionen und
Strahlungstransport
Kalzinatorströmung mit
Augenmerk auf Gas
CPFD
Barracuda
hoch beladene
Gasströmungen
Zyklonströmungen,
Mehleinbringungen,
statische Sichter
durchströmte Haufwerke
Festbett- und
Wirbelbettreaktoren
Bunkeraustragsströmung
Partikelströmungen
Siloausträge,
Feststoffströmungen
Mehrkomponenten- und
Mehrphasenreaktionen
Vorausberechnung der
Abgaszusammensetzung
Vorausberechnung der
(Zwischen-)Produktzusam
mensetzung
PartikelGas

17. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Warum wir uns so viel Mühe geben
E-Filterströmung – nach und vor der Optimierung
●Bessere Strömungsverteilung
●Längere mittlere Verweilzeit
●Bessere Abscheideleistung
●Geringerer Druckverlust
bei äußerlich
gleicher Erscheinung!

18. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
CFD für die Zementindustrie: Einige Beispiele

19. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Wärmetauscheroptimierung
Zyklonströmung bei hoher
Feststoffbeladung:
● Partikel werden als solche
berechnet und dargestellt
● Der Impulsaustausch der
Partikel untereinandert wird
berücksichtigt
● Der Impulsaustausch der
Partikel zum Gas wird
berücksichtigt
● Unterschiedliche
Partikelgrößen und
Kornbandverteilungen werden
berücksichtigt
● Dynamisches Verhalten wird
dargestellt zurück

20. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Wärmetauscheroptimierung
Mehlaufgabe auf Zyklon:
● dynamisches
Verhalten
● Partikelgrößen-
abhängigkeit
Untersuchungsergebnisse:
● Zyklizität bei
beidseitiger Aufgabe
● Ausbildung von
Partikelwolken
● sub-optimaler
Abscheidegrad
zurück

21. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Wärmetauscheroptimierung
Mehlverteilerweiche:
● Partikelsträhnen
● dynamisches
Austragsverhalten aus
der Zyklonspitze
● asymmetrisches
Eintrittsverhalten in
Mehlverteilerweiche
● Klappenstellung ungleich
Mehlverteilung
zurück

22. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Kalzinatoroptimierung
Aufgabe stückigen
Brennstoffs im Kalzinator:
● Partikellaufbahnen
● Verweilzeitverhalten
● Ausbrand nach Partikelgröße
● Kalzinationsfortschritt
● Kollisions- und
Anhaftungsorte
zurück

23. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Berechnung des Drehrohrofens
Strömungsdynamisch-thermochemische Berechnung
des Ofenprozesses:
CaO
C3S
CaCO3
C2S
zurück

24. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Berechnung des Drehrohrbrenners
Berechnung des
Ofenbrenners:
● Unterschiedliche (Sekundär-)
Brennstoffe
● Auswirkung auf die
Flammenform
(Wärmefreisetzungszonen)
Untersuchungsergebnisse:
● „Niederregnen“ von
unausgebranntem Brennstoff
● Auswirkungen auf O2-
Angebot an der Bettoberfläche
● Qualitätsprobleme
Kohle:
Tiermehl:
Fluff:
zurück

25. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Berechnung des Ofenkopfes
Ofenkopfströmung:
● Sekundärluft-Tertiärluftsplit
● Strömung im Ofenkopf
● Staubbeladung
● Druckverlustminderung
durch
Rotationsabsetzkammer
● Entstaubungsleistung für
die Tertiärluft
zurück

26. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Onsite-Services:
Manche Verbesserungen
sind auch ohne
numerisches Engineering
möglich:
● Optimierung der
Anlagenbetriebs
● Optimierung der
Regelkreise und
Produktionsführungs-
strategien
● Training des Personals
● Durchführung von
Leistungstests
● Anlagenassessment

27. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Der Vorteil für Sie: sofortiger ROI!
Beispielhafte Abschätzung der Wirtschaftlichkeit
Annahmen:
Energiekosten: 20€/t
Produktionsleistung: 3000t/d
Beispiel erreichte Einsparung Kosten Amortisation
aixergee Umbau
% €/t €/d € € Tage
1 0,2 600 15.000 10.000 42
Optimierung SNCR 3 0,6 1800 20.000 100.000 67
Optimierung Sekundärbrennstoff 5 1 3000 35.000 300.000 112
Umstellung neuer Sek.-Brennstoff 10 2 6000 65.000 800.000 144
Repositionierung SNCR
Return innerhalb von wenigen Monaten möglich !

28. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Was wir für Sie tun können
Ist-Zustand Optimierung
Analyse Vorschlag Umsetzung
Anlagenbegutachtung:
● Beobachtung
● Messung
● Berichterstattung
Berechnung:
● konventionell
● CFD
● CPFD
● Thermochemie
● Verbrennung
● Energiebilanz
● ...
Studien / Berichte:
● Betriebsoptimierung
● Machbarkeitsstudien
● Szenariostudien
Engineering:
● Basic engineering
● Detail engineering
● Spezifikation der
benöt. Ausrüstung
● Auswahl der benöt.
Ausrüstung
● Design der benöt.
Ausrüstung
● Optimierung des
Anlagenbetriebs
vor Ort
● Projektmanagement
● Behördenengineering
● Personalgestellung für
Inbetriebnahme,
Leistungstests und
Optimierungen
● Training / Qualifikation

29. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustr
-
Wir setzen Ihre Energie um!
Für mehr Information wenden Sie sich an:
aixergee – process optimisation
Alfonsstrasse 44
52070 Aachen
Tel.: +49 241 413 44 92 40
info@aixergee.de
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30. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Referenzen und Beispiele
● Verbrennungsmodelle für:
– Rostfeuerung
– Kohlenstaub
– Nachverbrennung
– Öl- und Gasbrenner
● Brennstoffe:
– Gas-Phasen Verbrenungsprodukte:
● H2
, H2
O, O2
, CO, CO2
, CH4
, O3
, N2
,...
– Koksausbrand (auch für Rest- und Abfallbrennstoffe)
– Sekundärbrenstoffe (z.B. Fluff, Altreifen, biogene Reststofffe ...)
– Biomasse
– Schadstoffe und Spuren:
● Nox
, Schwermetalle, Alkali- u. Erdalkalimetalle
● Physikalische Modelle für:
– Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung
– Turbulenz (unterschiedliche Modelle)
– Feststoffe, Staubkonzentrationen, Schmelzen

31. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Referenzen und Beispiele
vorher nachher
Verteilung des
Reduktionsmittels
Optimierung des SNCR-
Verfahrens:
● Berechnung der
Verdampfungspfade
● Berechnung der
Randgängigkeit
● Optimierung der
Düsenposition und
-ausrichtung
● Düsenauswahl und
-engineering

32. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Referenzen und Beispiele
Optimierung der Ofenkopfgestaltung:
● Berechnung der Einströmung in
die Tertiärluftleitung
● Optimierung der
Strömungsgeometrie durch den
Einsatz von Leitblechen
● Minimierung der Staubbeladung
der Tertiärluft
● Verringerung des Druckverlustes
des Ofenkopfes
● Verbesserung des
Kalzinatorbetriebs

33. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Referenzen und Beispiele
Optimierung der Mehlbox:
● Berechnung des 2-
Phasengemischs unter
vollständiger
Berücksichtigung des
Einflusses der
Mehlpartikel
● Gleichverteilung des
Mehls in den
aufsteigenden Gasstrom
● Optimierung des
Wärmetransports
● Effizienzsteigerung des
Wärmetauschers
● Detailoptimierung an der
Splash-plate
Darstellung der Suspension der
Mehlpartikel in der Strömung

34. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Mehrphasenströmungen
● Zyklon
● Kalzinator
● Sichter
● Filter
● Siloaustrag
● Bunkerströmungen
● …
● Bei hohen Beladungen
(>5vol-%) schwierig zu
berechnen
● Besonders bedeutungsvoll
in der Zementindustrie

35. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Mehrphasenströmungen:
● Komplexität der herrschenden
physikalischen Vorgänge
● Stark unterschiedliche
Größen- und Zeitskalen
● Geschlossene Modellierung
und Berechnung nicht möglich
● 2 unterschiedliche Ansätze
stehen zur Verfügung:
1. Euler/Lagrange
2. Euler/Euler
● Beide Ansätze haben Stärken
und Schwächen

36. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Euler/Lagrange-Ansatz:
● Für die Partikel werden die
Bewegungsgleichungen diskrete
gelöst
● Kräftebilanz um Partikel
● Partikel führt seine granularen
Eigenschaften mit sich
● Für das Fluid werden die
Erhaltungsgleichungen in den
Gitterzellen gelöst
● Impuls, Massen- und
Energieerhaltung
+ Die Partikel behalten ihre
granularen Eingenschaften
- die beiden Phasen werden in
unterschiedlichen Bezugssystemen
geführt und deren Interaktion muss
aufwendig modelliert werden
Zeitab-
hängigkeit
Advektion Diffusion Quellterm

37. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Euler/Euler-Ansatz:
● Jede (beide) Phase wird als Fluid
behandelt
● Für jede Phase werden die
Erhaltungsgleichungen
kontinuumsmechanisch gelöst
● Partikel können als „Pseudo-Fluide“
modelliert werden
● Phasenübergänge werden
berücksichtigt
+ Interaktion zwischen den Phasen
wird vollständig und geschlossen
berücksichtigt
- Partikel verlieren ihre granularen
Eigenschaften (Größe,
Korngrößenverteilung...)
Phasenübergang

38. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
BARRACUDA®
CPFD
Neuartiger CFD-Code schließt die
Lücke zwischen den beiden
herkömmlichen Methoden
● Fluid wird in Euler'schem Gitter
berechnet
● Partikel werden grundsätzlich in einem
Langrange-Modell berechnet
● Die Partikeleigenschaften werden auf
das Euler'sche Gitter aufgeprägt und die
Auswirkungen der Strömung auf diese
wiederum zurück auf die Partikel.
● Vollkommen geschlossene
Modellierung der Partikel-Interaktionen
untereinander und auf die Gasphase
● Partikel behalten Ihre granularen
Eigenschaften
● Einsetzbar auch bei Beladungen
>5vol-%

39. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Standard Euler-Lagrange-Methode
(SEL)
Standard Euler-Granular-Methode (SEG)
Computational Particle Fluid Dynamics
(CPFD)
Extended Euler-Lagrange-Methode
(EEL)
Extended Euler-Granular-Methode
(EEG)
Discrete-Element-Methode (DEM)
Berechnung diskreter Partikel mit Partikel-
Partikel-Interaktion und bi-direktionaler Kopplung
der Fluid-Partikel-Interaktion. Das Partikel
verdrängt in der Zelle des Euler'schen Gitters ein
best. Gasvolumen
Um Partikelkollisionen, Agglomerationsverhalten
und anderes erweitertes SEL
SEG erweitert um die Abbildung der
Reibungsviskosität der Feststoffphase nahe der
Packungsdichte
Detaillierte Berechnung der Partikel-Partikel-
Interaktionen unter Berücksichtigung der
Partikelgröße und -gestalt – Fluide können nicht
berücksichtigt werden
Explizite Berechnung diskreter Partikel ohne
Partikel-Partikel-Interaktion – nur für verdünnte
Strömungen gültig
Die Feststoff-Phase wird wie ein „Pseudo-Fluid“
mit spezifischen Eigenschaften behandelt –
Probleme bei Beladungen nahe der Pack.-dichte

40. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
SEL SEG CPFD EEL EEG DEM
fluid physics ++ + + ++ + --
inertia effects + + ++ ++ + o
particle size distribution ++ - ++ ++ - ++
large particles o - o o - +
particle form o - o o - +
particle-particle-interaction -- o + + o ++
packing limit -- o ++ - o ++
multi-physics + - + ++ o -
accretion/obstruction -- o + - + +
dynamic/static - o + - + o
complex geometry ++ o - ++ - o
computation efficiency + o o - + -
-- very bad
- bad
o moderate
+ good
++ very good

41. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustr
-
Wir setzen Ihre Energie um!
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